太阳内部的核聚变反应其实是非常缓和的,太阳整体释放能量的效率甚至比人体还低很多倍,之所以太阳内部1500万度就能持续释放大量能量,主要原因在于太阳质量太大。
氢弹爆炸的中心温度高达2亿度以上,人类制造的托卡马克装置约束的等离子体电子,已经能持续一定时间保持在1亿度以上,约束的等离子温度能在5000万度以上,太阳中心温度大约是1500万度。
有人可能会有疑问,太阳1500万度就能持续进行核聚变反应,为何我们制造上亿度的温度,还是无法实现可控核聚变?
爱丁顿
最早提出恒星能量来源于核聚变的是英国科学家爱丁顿,他在1919年测量日全食验证了爱因斯坦的广义相对论,在1920年提出恒星发热的机理,但他的恒星理论当时受到了学术界的反驳。
因为按照经典物理学的模型计算,在太阳这样的天体当中要让氢元素发生稳定的核聚变,需要上百亿度的高温,这远远超过了当时估计的太阳核心温度。直到1928年,科学家乔治·伽莫夫提出量子隧穿效应,才真正诠释了爱丁顿理论的机制。
量子隧穿效应
恒星内部的高温让原子和核外电子完全分离,成为裸露原子核和电子混合的等离子态,由于强相互作用的作用距离非常短,而原子核又带正电,会因为库仑力相互排斥,所以两个原子核要发生融合是非常难的。
按照经典的思维,我们可以给物质加热,从而增大原子核的平均动能,当单个原子核的动能超过一定值后,就可能克服库仑力发生融合,但是这个办法需要的温度非常高,经典物理学计算需要上百亿度才能实现稳定的核聚变。
但是有了量子隧穿效应就能大大降低核聚变的最低温度,在量子力学中,微观粒子具有不确定性,甚至能穿过在经典物理学中无法穿过的势垒,即便是小概率事件,但是对于大质量的恒星来说,已经足以引发稳定的核聚变反应。
后来科学家还发现了恒星的p-p链反应,然后量子物理学家掐手计算,对于恒星来说,只需要大约1000万度就能实现稳定的核聚变反应,于是太阳的能量来源之谜得到解决,爱丁顿的理论是正确的。
恒星发热效率
在微观世界中,即便太阳核心温度高达1500万度,压力高达上千亿个大气压,实际上在太阳的核聚变反应是非常缓和的,而且只在核心区域内进行,能量释放效率很低,我们可以用人体来对比:
(1)太阳质量2*10^30kg;
(2)太阳每秒释放能量3.8*10^26J;
(3)一个65千克的成年人,在20℃的环境中,每秒向环境中释放热量大约是150J;
那么人体1千克物质每秒向环境释放能量为:
150/65=2.3J
太阳1千克物质每秒向太空中释放能量为:
3.8*10^26/2*10^30=0.00019J
也就是说,单位质量的人体向环境中释放热量,居然是恒星的1.2万倍,这绝对出乎很多人的意料。
其中的原因也不难解释,无论是恒星还是人体,向外散热的是表面积,对于一个三维物体来说,体积和尺寸的三次方成正比,表面积和尺寸的平方成正比,所以体积的增加速度比表面积快。
对于球形的恒星来说,虽然内部核聚变的速度非常缓慢,但恒星的质量实在太大了,散热表面积的增加速度慢于质量的增加,所以恒星的温度会变得很高。
就像一头大象在冷水中可以戏耍很久也没事,但是一只老鼠落入冷水当中会很快因为失温而死亡,因为老鼠的体积表面积比太低,导致身体热量的利用率也跟着低。